DE10056214A1 - Solarzelle sowie Verfahren zur Herstellung einer solchen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle (26), die frontseitig eine integrierte Schutzdiode (28) aufweist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Solarzelle mit integraler eine der Solarzelle entgegen­ gerichteter Polarität aufweisender zumindest eine Diodenhalbleiterschicht umfassender erster Schutzdiode, wobei die Solarzelle zumindest einen Rückkontakt, ein Substrat als Träger für photoaktive zumindest eine frontseitige und eine substratseitige Schicht umfassende Schichten unterschiedlicher Polaritäten sowie einen Frontkontakt aufweist, wobei zwischen den stromer­ zeugenden photoelektrisch aktiven Schichten und dem frontseitigen Bereich des Substrats eine Tunneldiode verläuft, die im unmittelbaren Bereich der ersten Schutzdiode ausgespart ist, wobei bereichsweise ein frontseitiger Bereich des Substrats oder eine auf diesem aufgetragene oder aus diesem ausgebildete frontseitige Schicht mit einer frontseitiger photoaktiver Schicht entsprechenden Polarität die zumindest eine Diodenhalbleiterschicht der ersten Schutzdiode ist und wobei das Substrat in seinem frontseitigen Bereich einen p/n-Übergang aufweist, über den sich die die Diodenhalbleiterschicht bildende Zwischenhalbleiterschicht erstreckt, auf der außerhalb der ersten Schutzdiode eine zweite Tunneldiode und die auf dieser angeordneten photoaktiven Schichten angeordnet sind gemäß der Deutschen Patentanmeldung 199 21 545.

In großflächigen Dioden von mehreren cm2-Flächen, wie diese Solarzellen aus Halbleitermaterial mit wenigstens einem p/n-Übergang bilden, sind Mikro-Kurzschlüsse, d. h. lokale, kleindimensionierte elektrische (ohmsche) Verbindungen über den p/n-Übergang des Halblei­ termaterials oft unvermeidlich. Diese entstehen z. B. durch Oberflächenverletzungen während der Substratherstellung oder durch Dotierstoffanhäufungen z. B. an Kristallstörungen wie Versetzungen, insbesondere bei der Ausbildung von epitaxierten p/n-Übergängen bei z. B. Solarzellen der Elemente der Gruppen III-IV des Periodensystems.

Zwar stören die so entstehenden Mikro-Kurzschlüsse die Funktion der Diode als Solarzelle in Flussrichtung kaum oder nur in geringem Umfang. Die Fehlstellen können jedoch bei Betrieb der Zelle in Sperrichtung zu einer Zerstörung der Zelle führen. Sind z. B. mehrere Solarzellen oder -generatoren seriell in einem sogenannten String auf einem Solar Array miteinander verbunden, so wird bei sperrendem p/n-Übergang eines Generators - dies kann durch Abschattung bewirkt werden - der Solarstrom von der hohen String-Spannung der restlichen beleuchteten Solarzellen oder -generatoren durch die ohmschen Mikro-Kurzschlüsse gepresst. Dies kann zu einer starken lokalen Erhitzung, Umdotierung zur Niederohmigkeit, d. h. lokaler starker Entartung des Halbleiters und letztendlich zur Zerstörung der Zelle selbst führen.

Zur Vermeidung entsprechender lokaler starker Erhitzungen, sogenannten Hot-Spots, ist es bei seriell geschalteten Solarzellen bekannt, parallel zu den Solarzellen liegende Schutzdioden anzuordnen, deren Flussrichtung entgegen der der Solarzellen verlaufen.

Bei Solarzellen-Strings, d. h. einem Verband von in Serie geschalteten Solarzellen oder Solarzellenmodulen können zur Erzielung einer höheren Zuverlässigkeit und der Vermeidung des Ausfalls ganzer Strings die einzelnen Solarzellen mit integralen Schutzdioden gesichert werden (siehe Lippold, Trogisch, Friedrich: Solartechnik, Berlin, Ernst, Verlag für Architektur u. Techn. Wiss. 1984, Seite 265, 266). Allerdings ist der zusätzliche Aufwand zur Ver­ schalung zu Strings entsprechender integraler Schutzdioden, die auf den Rückseiten der einzelnen Solarzellen vorgesehen sind, erheblich, da zusätzlich elektrisch leitende Verbindun­ gen zur Solarzellenvorderseite angebracht werden müssen.

Eine Solarzelle der eingangs genannten Art ist der DE 38 26 721 A1 zu entnehmen. Zur Ausbildung der Schutzdiode ist es erforderlich, dass zunächst auf die photoaktive Schicht eine zusätzliche Schicht aus halbleitendem Material aufgebracht wird, die sodann bereichsweise weggeäzt wird.

Aus der US-Z.: J. M. Olson et al., "A 27.3% efficient Ga0.5In0.5P/GaAs tandem solar cell", Appl. Phys. Lett. 56 (7), 1990, S. 623-625, ist eine Kaskadensolarzelle bekannt, bei der zwischen Paaren von photoaktive Zellen bildenden photoaktiven Schichten eine Tunneldiode verläuft.

Der EP 0 327 023 A1 ist eine p-i-n-Solarzelle mit einer Schottky-Schutzdiode zu entnehmen.

Der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zu Grunde, eine Solarzelle mit integraler erster Schutzdiode sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen derart weiterzubilden, dass auch bei in dem Substrat ausgebildetem p/n-Übergang dieser geschützt ist, wobei die Aus­ bildung der weiteren Schutzdiode mit der Herstellung der Solarzelle selbst erfolgen soll.

Erfindungsgemäß wird das Problem im Wesentlichen dadurch gelöst, dass zur Bildung einer weiteren (zweiten) Schutzdiode für den in dem Substrat vorhandenen p/n-Übergang ein Bereich der stromerzeugenden photoelektrisch aktiven Schichten separiert und die front­ seitige photoelektrisch aktive Schicht des separierten Bereichs elektrisch leitend mit einem freigelegten Bereich des Substrats verbunden ist.

Dabei kann die auf der Zwischenhalbleiterschicht angeordnete Tunneldiode zwischen dem die zweite Schutzdiode bildenden separierten Bereich und den sonstigen stromerzeugenden photoelektrisch aktiven Schichten der Solarzelle entfernt sein.

Sofern es sich bei der Solarzelle um eine Kaskadensolarzelle handelt, wird insbesondere ein Bereich sämtlicher photoaktiven Schichten der Kaskadensolarzelle zur Ausbildung der zweiten Schutzdiode separiert. Somit kann die zweite Schutzdiode aus mehreren überein­ anderliegenden seriell durch eine Tunneldiode verbundene Einzelschutzdioden bestehen.

Die elektrisch leitende Verbindung zwischen frontseitigem Bereich der zweiten Schutzdiode mit dem Substrat kann zusammen mit der Ausbildung der Frontkontakte bzw. der Metallisie­ rung der ersten Schutzdiode realisiert werden. Losgelöst hiervon ist insbesondere vorgesehen, dass zwischen der elektrisch leitenden Verbindung und den die zweite Schutzdiode bildenden Schichten eine Isolationsschicht wie Antireflektionsschicht verläuft.

Erfindungsgemäß wird die zweite Schutzdiode aus Abschnitten der photoaktiven Schichten ausgebildet, die sodann antiparallel zu dem in dem Substrat ausgebildeten p/n-Übergang geschaltet werden, um diesen zu schützen. Dabei wird die zweite Schutzdiode bei der Ausbildung der Solarzelle selbst hergestellt, so dass eine verfahrensmäßige Vereinfachung gegeben ist.

Weist das Material des Substrats gegenüber der frontseitig verlaufenden photoaktiven Schicht eine gleiche Polarität auf, so ist die eine der frontseitig verlaufenden photoaktiven Schicht entsprechende Polarität aufweisende und die Diodenhalbleiterschicht bildende Schicht bildender frontseitiger Bereich des Substrats oder die auf diesem aufgetragene oder aus diesem ausgebildete Schicht gleicher Polarität gegenüber dem Substrat über eine weitere Tunneldiode getrennt.

Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle mit integraler mit einer der Solarzelle entgegengerichteten Polarität aufweisenden zumindest eine Diodenhalbleiterschicht umfassenden ersten Schutzdiode, wobei die Solarzelle zumindest einen Rückkontakt, ein Substrat als Träger für zumindest eine frontseitige und eine substratseitige photoaktive Schicht unterschiedlicher Polaritäten sowie einen Frontkontakt aufweist, und wobei Schichten insbesondere durch epitaktisches Wachsen ausgebildet sind, unter Anwendung der Ver­ fahrensschritte

• - Ausbilden eines p/n-Übergangs im frontseitigen Bereich des Substrats,
• - Aufbringen oder Ausbilden einer die zumindest eine Diodenhalbleiterschicht bildenden Zwischenhalbleiterschicht auf bzw. aus frontseitigem Bereich des Substrats einer Polarität entsprechend frontseitig photoaktiver Schicht der Solarzelle,
• - Aufbringen oder Ausbilden einer Tunneldiode auf bzw. aus der Diodenhalbleiter­ schicht,
• - Aufbringen oder Ausbilden der substrat- und frontseitigen photoaktiven Schichten,
• - bereichsweises Freilegen der Zwischenhalbleiterschicht und
• - Ausbilden der Schutzdiode mit der der Solarzelle entgegengerichteten Polarität unter Verwendung freigelegten Bereichs der Zwischenhalbleiterschicht durch mittelbares oder unmittelbares Aufbringen einer Metallisierung auf diese und anschließendes Verbinden mit dem Frontkontakt,

zeichnet sich durch die Verfahrensschritte aus:

• - Separieren eines Bereichs der photoaktiven Schichten,
• - bereichsweises Freilegen des Substrats und
• - elektrisch leitendes Verbinden des separierten Bereichs der photoaktiven Schichten mit dem bereichsweise freigelegten Substrat.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass auf eine erste Tunneldiode erste und zweite und eventuell weitere photoaktive Schichtenpaare unterschiedlicher Polaritäten zur Bildung einer Kaskaden-Zelle aufgebracht werden, wobei zwischen den substratseitigen Schichten und den frontseitigen Schichten eine weitere Tunneldiode angeordnet bzw. ausgebildet wird.

Erfindungsgemäß wird in der Frontseite einer Solarzelle oder -generators vorzugsweise bestehend aus Verbindungen der Gruppen III-V des Periodensystems eine erste Schutzdiode integral ausgebildet, wobei durch epitaktisches Wachsen von photoelektrisch aktiven und inaktiven Schichten auf einem Substrat, das selbst auch zur Erzeugung von Photostrom dienen kann, die Solarzelle selbst aufgebaut wird. Zur Ausbildung der Schutzdiode wird eine Schicht zwischen der eigentlichen photoaktiven Solarzelle und dem Substrat durch ins­ besondere epitaktisches Wachsen ausgebildet, die eine für Schottky-, MIS-, p/n- oder metall­ legierte Diodenkontakte geeignete Schicht ist, die die gleiche Polarität wie die frontseitige photoaktive Schicht, also die oberste Schicht der Solarzelle aufweist. Bei entsprechender Polarität des Substrats verlaufen des Weiteren oberhalb der entsprechenden Schicht eine Tunneldiode bildende Zwischenschichten.

Durch insbesondere lokales vertikales Abätzen eines flächenmäßig kleinen Bereichs der aktiven Solarzellenschichten und die Tunneldiode bildenden Zwischenschichten wird die freigelegte als Diodenhalbleiterschicht dienende Zwischenhalbleiterschicht bereichsweise metallisiert, wodurch eine oberflächliche lokale Separierung derart erfolgt, dass sich eine auf die Fläche der Metallisierung begrenzte Diode ausbildet, die die umgekehrte Polarität zu der Zelle aufweist. Gegebenenfalls kann zur Ausbildung der gewünschten Diodenart (Schottky- Kontakt, MIS-Kontakt oder metalllegierter Diodenkontakt) eine erforderliche Isolierung bzw. Diffusion zur Erzielung der gewünschten Übergänge erfolgen.

Losgelöst hiervon kann die Metallisierung der Diode über getrennte elektrisch leitende Verbinder mit dem Frontkontakt der Zelle oder unmittelbar durch gezielte Ausbildung der Kontaktmetallisierung mit diesem verbunden werden. Dieses kann dadurch erreicht werden, dass entlang der bei dem vertikalen Ätzen ausgebildeten Stufe zwischen den photoaktiven Schichten und der gegebenenfalls vorhandenen die Tunneldiode bildenden Schichten und der die Diodenhalbleiterschicht bildenden Zwischenhalbleiterschicht verlaufenden Stufe eine Isolierschicht vorgesehen ist, entlang der sich die Kontaktmetallisierung zu dem Frontkontakt hin erstreckt. Durch diese Verschaltung ergibt sich eine zu der eigentlichen Solarzelle antiparallel verbundene integrierte erste Schutzdiode.

Aus den photoaktiven Schichten wird sodann die zweite Schutzdiode ausgebildet, indem ein Bereich der photoaktiven Schichten separiert wird, um sodann die frontseitige Schicht des separierten Bereiches elektrisch leitend mit dem freigelegten Substrat zu verbinden. Hier­ durch wird der in dem Substrat ausgebildete p/n-Übergang geschützt.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination -, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen String von ausgeleuchteten Solarzellen,

Fig. 2 einen String von Solarzellen, bei der eine Solarzelle abgeschattet ist,

Fig. 3 bis 7 eine erfindungsgemäß ausgebildete Solarzelle in unterschiedlichen Herstel­ lungsstufen,

Fig. 8 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Solarzelle,

Fig. 9 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Solarzelle und

Fig. 10 eine erfindungsgemäße Weiterbildung der Ausführungsform der Fig. 9.

In den Fig. 1 und 2 ist rein prinzipiell ein String 10 von seriell verschalteten Solarzellen 12, 14, 16, 18 dargestellt, wobei in Fig. 1 sämtliche Solarzellen 12, 14, 16, 18 ausgeleuchtet sind. Demgegenüber ist bei dem in Fig. 2 dargestellten String 10 die Solarzelle 16 abgeschattet (Bezugszeichen 20).

Ein Solargenerator aus Halbleitermaterial mit wenigstens einem photoelektrisch aktiven p/n- Übergang der eigentlichen Solarzelle ist unbeleuchtet eine großflächige Diode, die rein beispielhaft mit dem Bezugszeichen 22 versehen ist. Wird die Solarzelle 12, 14, 16, 18 beleuchtet, wirkt diese wie ein Stromgenerator für Gleichstrom mit einem Solarstrom 15, der der Intensität der Beleuchtung annähernd proportional ist und eine nahezu konstante Aus­ gangsspannung Um aufweist, die der Flussspannung der jeweiligen Diode 22 entspricht, unter Abzug von Spannungs- und Stromverlusten aufgrund der inneren Widerstände.

In einem Solar-Array sind üblicherweise mehrere Zellen, im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 die Zellen 12, 14, 16, 18 seriell zu dem String 10 verbunden.

Durch einen String aus n gleichmäßig beleuchteten, gleichartigen, seriell verbundenen Zellen fließt der gleiche Strom Is. Die annähernd gleiche Spannung Um jeder Zelle der n-Zellen des Strings addiert sich zu einer Gesamtspanne Us = n.Um an den Enden des Strings.

In dem String 10 beleuchteter Zellen 12, 14, 18 wird die durch Abschattung 20 unbeleuchtete Zelle 16 zu der Diode 22, an der die Restspannung des Strings 10 in Sperrrichtung anliegt, um den erzeugten Solarstrom durchzupressen. Vorhandene Mikrokurzschlüsse in den aktiven Halbleiterschichten können bei Betrieb der Zelle 16 in Sperrrichtung zu deren Zerstörung führen. Schutz gegen entsprechende Zerstörungen bieten sogenannte Bypass- oder Schutz­ dioden 24. Entsprechende Schutzdioden 24 sind antiparallel mit dem p/n-Übergang der abgeschatteten Zelle 16 verbundene Dioden 24, die dann, wenn der p/n-Übergang der Zelle 16 sperrt, in Flussrichtung gepolt ist und den Strom, der bei einer Spannung-Ud, die der Kennlinie der Schutzdiode 24 in Flussrichtung bei dem Strom entspricht, durchlässt. Somit wird die Spannung Ur an den Enden des Strings durch die fehlende Spannung Um der abgeschalteten Zelle (16) und die Flussspannung der Diode 24-Ud vermindert, so dass Ur = Us - Um - Ud ist.

Im nicht abgeschalteten Zustand der Zelle 16 sperrt der p/n-Übergang der Schutzdiode 24 den Stromfluss durch diese bei einer Sperrspannung, die der Flussspannung der zugehörigen Solarzelle 16 entspricht.

Das Ausbilden entsprechender Schutzdioden 24 an sich für Solargeneratoren auf Solar-Arrays ist zwar bekannt, jedoch nur sehr aufwendig realisierbar.

Nach der Lehre der Deutschen Patentanmeldung 199 21 545 werden nunmehr entsprechende erste Schutzdioden zusammen mit der Ausbildung der Solarzellen selbst hergestellt, wodurch sich eine verfahrensmäßige Vereinfachung bei gleichzeitiger verbesserter Schutzfunktion ergibt. Dies ergibt sich aus den Fig. 3 bis 9.

Die Fig. 3 bis 7 verdeutlichen prinzipiell den Verfahrensablauf zur Herstellung einer ersten Ausführungsform einer Solarzelle 26, von der eine Schottky-Kontaktdiode als erste Schutz­ diode 28 ausgebildet wird.

Auf einem photoelektrisch inaktiven Substrat 30 als Träger, das zum Beispiel aus n-leitendem einkristallinen Germanium besteht, wird zunächst eine geeignete niederdotierte Halbleiter- Schicht 32 zum Beispiel in Form von Galliumarsenid aufgebracht, das mit einem geeignetem Metall einen Schottky-Kontakt bilden kann. Dabei erfolgt die Ausbildung der niederdotierten Halbleiter-Schicht 32 vorzugsweise durch epitaktisches Wachsen. Vorzugsweise handelt es sich bei der Halbleiter-Schicht 32 um eine niederdotierte sogenannte Bufferschicht wie Galliumarsenid-Bufferschicht, die auch dem weiteren besseren epitaktischem Wachstum dient und die selbe Leitfähigkeit n wie das Substrat 30 aufweist. Auf die Bufferschicht 32 wird eine Halbleiter-Tunneldiode 34 epitaktisch aufgebracht, die aus zwei sehr hoch dotierten Schichten besteht, deren substratseitige Schicht n-dotiert und deren obere Schicht p-dotiert ist, um so einen niederohmigen Übergang zu einer sodann epitaktisch aufgebrachten p-leitenden Halbleiterschicht 36 zu bilden. Die p-leitende Halbleiterschicht 36 ist dabei substratseitige photoaktive Schicht oder Basis der eigentlichen Solarzellen. Sodann wird auf die p-leitende substratseitige Halbleiterschicht 36 eine n-leitende frontseitige Halbleiterschicht 38, der sogenannte Emitter aufgebracht, wodurch der p/n-Übergang zur Halbleiterschicht 36 oder Basis gebildet wird. Hierdurch sind im Beispiel der Fig. 3 die photoaktiven Schichten der Solarzelle komplettiert.

Sodann wird ein im Vergleich zur photoempfindlichen Zellfläche kleiner Bereich der photo­ aktiven Schichten 38, 36, also des Emitters und der Basis sowie der Tunneldiode 34 durch zum Beispiel lokales vertikales Ätzen entfernt. Hierzu eventuell dienliche epitaktisch gewach­ sene photoelektrisch nicht aktive als Ätzstop-Schichten zu bezeichnende Schichten sowie andere dem besseren epitaktischen Wachstum oder der Erhöhung des photoelektrischen Wirkungsgrads dienende Epitaxieschichten wie zum Beispiel Fensterschichten oder sogenann­ te Cap-Schichten können den photoaktiven Schichten 36, 38, also der Basis und dem Emitter und damit der eigentlichen Solarzelle insoweit zugerechnet werden.

Durch das Entfernen wie Wegätzen der Schichten 36, 36, 34 bildet sich eine Stufe, eine sogenannte Ätzstufe 40 aus, die mit einer elektrisch isolierenden Schicht 42 abgedeckt wird. Diese Schicht 42 kann bei geeigneter Fertigungsfolge auch die zur Erhöhung des Lichteintritts in die Frontseite 44 der Solarzelle 26 üblicherweise aufgebrachte nicht leitende Antire­ flexionsschicht sein. Wie die Fig. 4-7 verdeutlichen, erstreckt sich die Isolierschicht 42 sowohl entlang der Oberfläche der als Diodenhalbleiterschicht geeigneten Zwischenhalbleiterschicht 32 und der freien Außenfläche 46 der frontseitigen Halbleiterschicht 38 oder des Emitters als auch entlang der im Ausführungsbeispiel senkrecht zu den von den Schichten 32 und 38 aufgespannten Ebenen verlaufenden freigeätzten Randflächen 48 der Tunneldiode 34, der p-leitenden Basis 36 und des n-leitenden Emitters 38.

In einem sich anschließenden Verfahrensschritt werden sodann auf der Vorderseite 46 der photoaktiven Schicht 38 und damit der Solarzelle 26 und rückseitig auf dem Substrat 30 elektrisch leitende Front- und Rückseitenkontakte 50, 52 aufgebracht, die zur Entnahme des Solarstroms der Zelle 26 dienen.

Zur Ausbildung der als erste Schutzdiode dienenden Schottky-Diode 28 wird bereichsweise auf den freigelegten Bereich 54 der im Ausführungsbeispiel niederdotierten Zwischenhalblei­ terschicht 32 in Form der epitaktisch aufgewachsenen Galliumarsenid-Bufferschicht eine für einen Schottky-Kontakt geeignete Metallisierung 56 aufgebracht. Dabei ist die Metallisierung 56 in ihrer Flächenerstreckung derart gewählt, dass sich diese über die isolierte Ätzstufe, also die Beschichtung 42 zum Frontkontakt 50 hin erstreckt und damit die erforderliche elektrisch leitende Verbindung herstellt. Mit dieser Maßnahme wird die Schottky-Kontaktdiode 28 mit dem p/n-Übergang der Solarzelle 26 entgegengesetzter Polarität erzeugt, wobei gleichzeitig die elektrische Ankopplung der ersten Schutzdiode 28 an die Solarzelle 26 selbst erfolgt.

In der vergrößerten Darstellung der Solarzelle 26 in Fig. 7 ist ein Stromlaufplan 58 der Solarzelle 26 eingezeichnet, wobei ergänzend elektrisch leitende Verbinder 60, 62, die von dem Frontkontakt 50 und dem Rückseitenkontakt 52 ausgehen, dargestellt sind, um die Solar­ zelle 26 mit der integrierten ersten Schutzdiode 28 mit weiteren entsprechend aufgebauten Zellen zu einem String zu verschalten. Dabei geht der Verbinder 60 zu einem Rückseiten­ kontakt einer vorhergehenden Solarzelle A und der Verbinder 62 zu einem Frontkontakt einer nachfolgenden Solarzelle B.

Ferner ist dem Stromlaufplan 58 und dem dargestellten Ersatzschaltbild zu entnehmen, dass die Schutzdiode 28 antiparallel zu der durch die photoaktiven Schichten 36, 38 gebildeten Diode 64 geschaltet ist, die die eigentliche Solarzelle bildet.

Sollte anstelle einer Schottky-Diode als Schutzdiode 28 eine MIS-Kontakt-Diode zum Einsatz gelangen, so würde zwischen der im Ausführungsbeispiel n-leitenden Zwischenhalbleiter­ schicht 32 und der Metallisierung 56 eine geeignete Isolatorschicht angeordnet werden. Sofern eine metalllegierte Diode als erste Schutzdiode 28 benutzt werden soll, wird eine geeignete Metallkomposition als Kontaktmaterial mit nachfolgendem Sintern oder Legieren verwendet. Auch besteht die Möglichkeit, lokal einen p/n-Übergang zu erzeugen.

Die entsprechenden als erste Schutzdioden ausgebildeten Diodenarten können auch in Varian­ ten des anhand der Fig. 3-7 erläuterten Solargenerators 26 zur Anwendung gelangen. Eine Variante ist zum Beispiel die Umkehrung aller Dotierungspolaritäten.

Weitere Beispiele von Modifikationen am Aufbau von Solarzellen bzw. -generatoren und dem Einsatz von Schutzdioden sollen anhand der Fig. 8 und 9 erläutert werden. Dabei werden für gleiche Elemente grundsätzlich gleiche Bezugszeichen verwendet.

Eine in der Fig. 8 dargestellte Solarzelle 68 weist ein Substrat 70 auf, das abweichend zu dem Substrat 30 der Solarzelle 26 eine entgegengesetzte Dotierungspolarität aufweist, also aus p-leitendem Material besteht. Auf dem Substrat 70 kann eine Bufferschicht 72 gleicher Leitungsart p aufgebracht sein. Da die Solarzelle 68 in Bezug auf ihre photoaktiven Schichten gleiche Polarität aufweist wie die Solarzelle 26, muss zwischen einer die Dioden-Halbleiter­ schicht bildenden n-leitenden Zwischenhalbleiterschicht 74 und dem Substrat 70 bzw. dessen frontseitiger Schicht 72 eine Tunneldiode 76 ausgebildet werden, um einen niederohmigen Stromdurchgang zum Substrat 70 bzw. der Bufferschicht 72 sicherzustellen. Die Tunneldiode 76 weist dabei einen Schichtaufbau auf, der umgekehrt zu dem der Tunneldiode 34 ist, also substratseitig p-dotiert und frontseitig n-dotiert ist. Auf die so ausgebildeten Substrat- und Bufferschichten 70, 72, Tunneldiode 76 und Zwischenhalbleiterschicht 74 werden sodann zur Bildung von übereinander angeordneten photoaktiven Zellen erste und zweite Paare von Schichten 78, 80 und 82, 84 insbesondere epitaktisch aufgewachsen, wobei die Schichten 78, 82 p-leitende Halbleiterschichten und die Schichten 80, 84 n-leitende Halbleiterschichten sind, um hierdurch jeweils einen p/n-Übergang zwischen dem jeweiligen Emitter 80, 84 und der Basis 78, 82 auszubilden. Ferner werden zwischen dem unteren Schichtpaar 78, 80, also der Basis 78 und der Zwischenhalbleiterschicht 74 eine Tunneldiode 86 und zwischen den ersten und zweiten Paaren der Schichten, also zwischen dem Emitter 80 und der Basis 82, eine weitere Tunneldiode 88 ausgebildet, deren jeweilige Schichten Polaritäten aufweisen, wie diese der Tunneldiode 34 der Solarzelle 26 entspricht, also frontseitig p-dotiert und sub­ stratseitig n-dotiert.

Sodann wird entsprechend der Verfahrensweise nach den Fig. 3-7 durch insbesondere lokales vertikales Abätzen die Zwischenhalbleiterschicht 76, die die für die Schutzdiode 28 notwendige Diodenhalbleiterschicht bildet, freigelegt, um durch lokales Aufbringen einer Metallisierung 90 den gewünschten Schottky-Kontakt als die gewünschte erste Schutzdiode 28 auszubilden. Von der Metallisierung 90 geht im vorliegenden Fall ein elektrisch leitender Verbinder 92 aus, der mit dem elektrisch leitenden Verbinder 60 verbunden ist, der seinerseits von dem Frontkontakt 50 der Solarzelle 68 ausgeht. Durch die diesbezügliche Ausgestaltung ist es nicht erforderlich, dass sich entlang der durch das vertikale Ätzen ausgebildeten Stufe 40 eine Isolierschicht erstreckt.

Wie der in die Solarzelle 68 eingezeichnete Stromlaufplan 94 mit Ersatzschaltbild belegt, schützt die Schutzdiode 28 die von den photoaktiven Schichten 78, 80 und 82, 84 gebildeten zwei Dioden 96, 98.

Eine in der Fig. 9 prinzipiell dargestellte Solarzelle 100 unterscheidet sich von der der Fig. 7 dahingehend, dass in ein Substrat 102 ein p/n-Übergang 104 eindiffundiert ist, um ebenfalls zur Erzeugung von Strom benutzt zu werden. In zuvor beschriebener Weise erstreckt sich darauf eine Zwischenhalbleiterschicht 108 als Diodenhalbleiterschicht, auf die wiederum eine Tunneldiode 110 und sodann weitere photoaktive Schichten 112, 114 aufgebracht werden, die einen p/n-Übergang bilden. Sodann werden die photoaktiven Bereiche 114, 112, also der Emitter und die Basis sowie die Tunneldiode 110 lokal weggeätzt, so dass die Zwischenhalb­ leiterschicht 108 freigelegt wird. Die hierdurch ausgebildete Ätzstufe 40 wird entsprechend der Fig. 7 mit der Isolierschicht 42 abgedeckt. Die sodann aufzubringenden Frontkontakte 116 weisen in Bezug auf die Solarzelle 26 der Fig. 7 eine abweichende Anordnung derart auf, dass diese bereichsweise entlang der Isolierschicht 42 verlaufen. Sodann wird auf einen freigelegten Bereich der Zwischenhalbleiterschicht 108 die erforderliche Metallisierung 118 aufgebracht, die sich bis zu dem entlang der Isolierschicht 42 verlaufenden Frontkontaktmate­ rial erstreckt, so dass sich die erforderliche elektrisch leitende Verbindung ergibt. Ein elektrisch leitender Verbinder 120 geht sodann von der Metallisierung 118 aus, um mit dem Rückkontakt einer vorausgehenden Solarzelle A verbunden zu werden. Da der Frontkontakt 116 mit der Metallisierung 118 unmittelbar verbunden ist, braucht von dem Frontkontakt 116 selbst kein entsprechender Verbinder 120 auszugehen. Von dem Rückkontakt 52 geht entsprechend dem zuvor erläuterten Ausführungsbeispiel der weitere Verbinder 62 aus, der zur Frontseite einer nachfolgenden Solarzelle führt. Nachfolgende und vorangehende Solarzel­ len oder -generatoren sind selbstverständlich relativ zu verstehen.

Wie der Stromlaufplan 122 für die Zelle 100 belegt, schützt die erste Schutzdiode 28 allein die aus den photoaktiven Schichten 112, 114 gebildete Diode 124 und nicht den photoaktiven Bereich, der durch die innerhalb des Substrats 102 eingezeichnete Diode 126 gebildet wird.

Um auch den durch die Diffusionsschicht 104 gebildeten p/n-Übergang, also die im Ersatz­ schaltbild eingezeichnete Diode 126 zu schützen, wird nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10 antiparallel zu der Diode 126 eine zweite Schutzdiode 123 geschaltet, die bei einer Tandem-Solarzelle entsprechend der Fig. 8 aus deren photoaktiven Schichten 112, 114 bzw. 78, 80, 82, 84 ausgebildet wird.

In Fig. 10 ist eine Solarzelle 121 dargestellt, die dem prinzipiellem Aufbau der der Fig. 8 mit der Einschränkung entspricht, dass einerseits die Diffusionsschicht 104 gemäß Fig. 9 einge­ bracht und andererseits zum Schutz der hierdurch gebildeten Diode 126 die zweite Schutz­ diode 123 ausgebildet wird. Ansonsten wird auf die Erläuterungen verwiesen, die im Zu­ sammenhang mit den Fig. 7 bis 9 erfolgt sind.

Die Solarzelle 121 der Fig. 10 weist demzufolge oberhalb der Zwischenhalbleiterschicht 108 und der Tunneldiode 110 zwei epitaktisch gewachsene durch eine Tunneldiode 88 verbundene photoaktive Schichten 80, 84 als Emitter und Schichten 78, 82 als Basen auf, die die Dioden 96 und 98 bilden. Des Weiteren ist in das Substrat 102 die Schicht 104 eindiffundiert worden (Bildung der Diode 126).

Die Integration der ersten Schutzdiode 28 in die Solarzelle 121 für die Dioden 96, 98 und das Anordnen der Verbinder 62, 64 erfolgt prinzipiell nach der im Zusammenhang mit den Fig. 7 und 8 erläuterten Technologie.

Erfindungsgemäß weist die Solarzelle gemäß Fig. 10 des Weiteren die Schutzdiode 123 auf, die aus Abschnitten der p/n-Übergänge der aktiven Dioden 96, 98 gebildet wird und somit dem Grunde nach aus zwei seriellen Dioden 128, 129 besteht, die die Diode 126 durch antiparallele Integration in die Solarzelle 121 schützt.

Die Herstellung bzw. Ausbildung der zweiten Schutzdiode 123 wird zweckmäßigerweise mit der Herstellung der Zelle 121 und der ersten Schutzdiode 128 koordiniert, wobei nach Aus­ bilden der Diffusionsschicht 104 und der Zwischenhalbleiterschicht 108 sowie dem Ausbilden bzw. Auftragen der Tunneldiode 110, der photoaktiven Schichten 78, 80 der Diode 98, der weiteren Tunneldiode 88 und der weiteren photoaktiven Schichten 82, 84 der Diode 96 durch vertikales Durchtrennen der photoaktiven Schichten 84, 82. 80, 78 und zweckmäßi­ gerweise der Tunnelschicht 110 eine im Verhältnis zur vorderseitigen Fläche der Solarzelle 121 flächenmäßig kleiner Teil der Dioden 98, 96 separiert wird, um die Schutzdiode 123 ausbilden zu können. Der diesbezügliche separierte Bereich ist in Fig. 10 mit dem Bezugs­ zeichen 131 versehen.

Sodann wird vorzugsweise unmittelbar neben dem separierten Bereich 131 die Zwischenhalb­ leiterschicht 108 und die in das Substrat 102 eindiffundierte Schicht 104 z. B. durch lokales Ätzen entfernt, um einen Bereich 133 des durch die Diffusion nicht veränderten Substrats 102 lokal freizulegen.

Zur Integration der Schutzdiode 123 in die Solarzelle 121 wird ein Stromkreis 127 durch eine aufgebrachte metallische Verbindung 125 geschlossen, die ein separierter Abschnitt der Metallisierung der Diode 28 sein kann und von einem aufgebrachten Frontkontakt 124 der Schutzdiode 123, der Teil der metallischen Verbindung oder - wie im Beispiel - separierter Teil des Vorderseitenkontaktes der Zelle 121 sein kann, über eine zuvor aufgebrachte Isolationsschicht 128, die der Isolationsschicht 42 gemäß Fig. 7 entspricht, zu dem freigeleg­ ten Bereich 133 auf dem Substrat 102 geführt wird, um einen ohmschen Kontakt zu bilden. Durch den so geschlossenen Stromkreis sind die die zweite Schutzdiode 123 bildenden Dioden 128, 129 antiparallel zu der durch den p/n-Übergang gebildeten Diode 126 integriert.

Das Ausbilden der Schutzdiode 123 kann unabhängig von dem in dem Beispiel der Fig. 7, 8 und 9 beschriebenen Ausführungsarten der ersten Schutzdiode erfolgen, ist jedoch nur sinnvoll bei Vorhandensein eines photoaktiven Bereichs der durch die innerhalb des Substrats 102 durch die Diffusionsschicht 104 gebildeten photoaktiven Diode 126.

Bei nur einer über der Zwischenhalbleiterschicht 108 gewachsenen photoaktiven Diode, wie dies anhand der Fig. 9 verdeutlicht ist, umfasst die zweite Schutzdiode 123 nur einen p/n- Übergang, der jedoch die gleiche Schutzfunktion übernimmt.

Zweckmäßigerweise sollten die erfindungsgemäßen Zellen derart geometrisch ausgebildet sein, dass die Schutzdiode 28 in der Nähe von Befestigungspunkten der Verbinder, die zu den anderen Zellen führen, oder in der Nähe von Stromsammelbalken des Frontkontaktes ver­ laufen, sofern sie nicht selbst zu denselben ausgebildet sind, um zusätzliche Verluste aktiver Zellflächen durch Metallzuleitungen zwischen den Schutzdioden 28 und den Frontkontakten zu vermeiden.

Auch ist anzumerken, dass bei größeren Zellen mehr als eine Schutzdiode ausgebildet werden kann.

Claims (8)

1. Solarzelle (28, 68, 100) mit integraler eine der Solarzelle entgegengerichteter Polarität aufweisender zumindest eine Diodenhalbleiterschicht (32, 76, 108) umfassender erster Schutzdiode (28), wobei die Solarzelle zumindest einen Rückkontakt (52), ein Substrat (30, 70, 102) als Träger für photoaktive zumindest eine frontseitige und eine sub­ stratseitige Schicht umfassende Schichten (36, 38; 78, 80; 82, 84; 112, 114) unter­ schiedlicher Polaritäten sowie einen Frontkontakt (50, 116) aufweist, wobei zwischen den stromerzeugenden photoelektrisch aktiven Schichten (36, 38, 78, 80, 112, 114) und dem frontseitigen Bereich des Substrats (30, 70, 102) eine Tunneldiode (34, 86, 110) verläuft, die im unmittelbaren Bereich der ersten Schutzdiode (28) ausgespart ist, wobei bereichsweise ein frontseitiger Bereich des Substrats (30, 70, 102) oder eine auf diesem aufgetragene oder aus diesem ausgebildete frontseitige Schicht (32, 74, 108) mit einer frontseitiger photoaktiver Schicht (38, 80, 84, 114) entsprechenden Polarität die zumindest eine Diodenhalbleiterschicht der ersten Schutzdiode (28) ist und wobei das Substrat (102) in seinem frontseitigen Bereich einen p/n-Übergang (104) aufweist, über den sich die die Diodenhalbleiterschicht bildende Zwischenhalbleiterschicht (108) erstreckt, auf der außerhalb der ersten Schutzdiode (28) eine zweite Tunneldiode (118) und die auf dieser angeordneten photoaktiven Schichten (112, 114) angeordnet sind, gemäß Deutsche Patentanmeldung 199 21 545, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer weiteren (zweiten) Schutzdiode (123) für den in dem Substrat (102) ausgebildeten p/n-Übergang (104) ein Bereich (131) der stromerzeugenden photoelektrisch aktiven Schichten (78, 80, 82, 84) separiert und die frontseitige photoelektrische Schicht (84) des separierten Bereichs elektrisch leitend mit einem freigelegten Bereich (133) des Substrats (102) verbunden ist.

2. Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Zwischenhalbleiterschicht (108) angeordnete Tunneldiode (10) zwi­ schen dem die zweite Schutzdiode (123) bildenden separierten Bereich (131) und den stromerzeugenden photoelektrisch aktiven Schichten (78, 80, 82, 84) entfernt ist.

3. Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schutzdiode (123) aus mehreren übereinander liegenden seriell durch eine Tunneldiode (88) verbundenen Einzeldioden (128, 129) besteht.

4. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen der frontseitigen Schicht (84) der zweiten Schutzdiode (123) und dem freigelegten Bereich (133) des Substrats (122) verlaufende elektrisch leitende Verbindung wie Metallisierung gegenüber den die zweite Schutzdiode (123) bildenden Schichten (78, 80, 82, 84) durch eine elektrisch isolierende Schicht (42) wie Anti­ reflektionsschicht getrennt ist.

5. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (68) eine Kaskadensolarzelle mit wenigstens ersten frontseitigen und zweiten substratseitigen photoaktiven Schichten (82, 84, 78, 80) ist und dass zwi­ schen den zweiten substratseitigen photoaktiven Schichten und dem Substrat (70) die die Diodenhalbleiterschicht bildende Zwischenhalbleiterschicht (72) der der frontseiti­ gen photoaktiven Schicht entsprechenden Polarität verläuft, wobei zwischen photoakti­ ve Zellen bildenden Paaren photoaktiven Schichten (82, 84; 78, 80) jeweils eine Tunneldiode (88) angeordnet ist.

6. Solarzelle nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Substrat (70) einer zu der Polarität der photoaktiven frontseitigen Schicht (84) entgegengesetzten Polarität zwischen der die Diodenhalbleiterschicht bildenden Zwischenhalbleiterschicht (74) und dem Substrat eine Tunneldiode (76) ver­ läuft.

7. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle mit integraler eine der Solarzelle entgegen­ gerichtete Polarität aufweisender zumindest eine Diodenhalbleiterschicht umfassender Schutzdiode, wobei die Solarzelle zumindest einen Rückkontakt, ein Substrat als Träger für photoaktive zumindest eine frontseitige und eine substratseitige Schicht umfassende Schichten unterschiedlicher Polaritäten sowie einen Frontkontakt aufweist, wobei Schichten insbesondere durch epitaktisches Wachsen ausgebildet werden, unter Anwendung der Verfahrensschritte:

• - Ausbilden eines p/n-Übergangs im frontseitigen Bereich des Substrats,
• - Aufbringen oder Ausbilden einer die zumindest eine Diodenhalbleiterschicht bildenden Zwischenhalbleiterschicht auf bzw. aus frontseitigem Bereich des Substrats einer Polarität entsprechend frontseitiger photoaktiver Schicht der Solarzelle,
• - Aufbringen oder Ausbildung einer Tunneldiode auf bzw. aus der Zwischen­ halbleiterschicht,
• - Aufbringen oder Ausbilden der substrat- und frontseitigen photoaktiven Schichten,
• - bereichsweises Freilegen der Zwischenhalbleiterschicht,
• - Ausbilden der Schutzdiode mit der der Solarzelle entgegengerichteten Polarität unter Verwendung von freigelegtem Bereich der Zwischenhalbleiterschicht durch mittelbares oder unmittelbares Aufbringen einer Metallisierung auf dieser und anschließendes Verbinden mit dem Frontkontakt,

gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

• - Separieren eines Bereichs der photoaktiven Schichten,
• - bereichsweise Freilegen des Substrats und
• - elektrisch leitendes Verbinden frontseitiger Schicht des separierten Bereichs der photoaktiven Schichten mit bereichsweise freigelegtem Substrat.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Zwischenhalbleiterschicht mehrere Paare von photoaktiven Schichten aufgebracht werden, wobei jeweils zwischen den Paaren von photoaktiven Schichten eine Tunneldiode verläuft, und dass vorzugsweise zur Ausbildung der die Tunneldiode bildenden Schichten und/oder der photoaktiven Schichten und/oder der Zwischenhalb­ leiterschicht diese durch epitaktisches Wachsen hergestellt werden.